ATP和FHQ干餾工藝研究

許輝，張霜，榮青山

ATP和FHQ干餾工藝研究

許輝1，張霜1，榮青山2

（1. 撫順礦業(yè)集團有限責任公司工程技術研究中心，遼寧 撫順 113009；2. 中國石油 撫順石化洗化廠，遼寧 撫順 113003）

頁巖油是一種石油的可替代資源，油頁巖經過熱解得到頁巖油，油頁巖資源藏量非常豐富，具有廣闊的開發(fā)價值和豐富的上下游產業(yè)鏈。ATP（Alberta Taciuk Process）是加拿大的小顆粒油頁巖干餾技術，被撫順礦業(yè)集團引進并消化，是目前世界上唯一一套工業(yè)化生產裝置。FHQ（撫順橫流氣體熱載體干餾技術）是撫順礦業(yè)集團自主研發(fā)的小顆粒油頁巖干餾技術。兩者分別是最新的固體熱載體和氣體熱載體干餾工藝的技術合集，從不同角度推進著油頁巖產業(yè)的進步發(fā)展，總結歸納兩種工藝的運行特點，提出適合我國小顆粒干餾技術的發(fā)展方向。

小顆粒油頁巖；干餾；氣體熱載體；固體熱載體

1 研究背景

我國油頁巖資源儲量豐富，但不同于美國目前大量開采的頁巖油資源，我國的油頁巖內頁巖油是以固態(tài)的形式賦存的，必須經過約500 ℃以上的高溫熱解，才能將油品從頁巖中釋放出來。而我國的熱解干餾技術是塊頁巖干餾技術，副產大量的小顆粒油頁巖尾礦還未得到有效利用。本文通過分析國內外小顆粒油頁巖干餾工藝技術的特點，提出小顆粒油頁巖干餾技術發(fā)展方向：新型小顆粒油頁巖干餾工藝應具有高效、節(jié)能、環(huán)保、模塊化等特點。

2 國內外技術對比分析

國際上的小顆粒頁巖干餾技術除ATP工藝外，大多設備都已經拆除，不再運行，其核心設備干餾器的形式都是回轉類設備。國內的小顆粒油頁巖干餾工藝展現了多樣化的發(fā)展途徑，其中大連理工大學和廊坊設計院依然采用回轉類干餾器，上海博申和沈陽鑫博則采用流化床技術，進一步研磨頁巖成粉末，大大縮短了干餾所需時間。撫順礦業(yè)集團在2005年著手引進ATP固體熱載體干餾技術，2013年投產，并在2010年開始自研FHQ干餾技術。

小顆粒油頁巖干餾工藝設計關鍵點有兩個：一是為干餾提供熱量的熱源設計，二是熱載體如何導入、導出干餾裝置。由于這兩點的不同，開發(fā)出不同的反應器，不同的工藝路線，根據現有的工業(yè)技術，很多工藝都可以實現，但如果長期運行，其維護和檢修的成本將數倍于塊頁巖干餾設備，目前還在工業(yè)化運行的只有撫順礦業(yè)集團引進的ATP生產裝置，具體工藝性能對比可參考表1。

表1 國內外小顆粒頁巖工藝性能對比表

3 ATP小顆粒頁巖干餾工藝

3.1 ATP干餾爐

ATP工藝的核心技術是ATP干餾爐，從整體看是一個水平放置的大型回轉筒體?；剞D套筒分兩層，同軸同心，由外部落地的滑動軸套驅動旋轉，兩層套筒嵌有導流螺旋磚，外壁設有返料導管，巧妙的設計，使得兩個套筒相同方向旋轉，內部兩層物料頁巖和灰渣向著相反的方向移動，使原料的進口和灰渣的出口都在爐體的一端，熱量在料流中充分利用。在干餾室和預熱室之間設有步進式料封口，頁巖料流將兩個區(qū)隔離，使得干餾產物不會返流。

該干餾爐爐體長63 m，直徑8.2 m，重量2 500 t，轉速為4 r·min-1，物料的停留時間為1 h，設計處理量為6 000 t·d-1油頁巖，設計油收率90%，目前處理10 mm以下小顆粒油頁巖。分為預熱段、干餾段和燃燒段。預熱段頁巖走內圈，頁巖熱灰渣和煙氣走外圈，對頁巖進行干燥、預熱；干餾段頁巖與熱灰渣混合完成干餾，干餾產物通過導出管進入回收系統(tǒng)；干餾后的半焦和灰渣混合物通過窯爐外的輸焦管送入燃燒段進行焚燒，從大體上看，可以將干餾爐分成若干個功能區(qū)，具體功能及作用見圖1、2和表2。

圖1 ATP干餾爐功能示意圖

表2 ATP爐各個分區(qū)功能作用表

3.2 ATP工藝流程

干餾產物從爐出口高溫管道導出，進入旋分除塵系統(tǒng)，除塵后再經過烴蒸汽洗滌塔進行初級烴蒸汽冷卻；經過閃蒸塔后分餾出重質頁巖油和輕質頁巖油，重質油收集在塔底的重油罐中，輕質油收集在輕油罐中，瓦斯經過分餾后進入壓縮機，之后再次進入洗滌塔，回收石腦油組分，然后送入ATP干餾爐中燃燒，用于補充干餾熱量。

圖2 ATP干餾爐主體外觀

整個回收系統(tǒng)多次采用閃蒸塔，分餾塔，用于獲得不同比重的油品，蒸汽消耗較大。塔、罐、換熱器等設備數量多且密集，自動化程度高，維修維護量大，工藝流程框圖見圖3。

圖3 ATP干餾技術工藝流程框圖

4 FHQ小顆粒頁巖干餾工藝

4.1 撫順FHQ干餾爐

FHQ小顆粒頁巖干餾工藝的核心技術是FHQ干餾爐。撫礦集團研究中心在2013年建成0.5 t·h-1小試裝置；2014年建成30 t·d-1中試裝置，逐步解決了粉塵堵塞、料層阻力大、熱載體分布不均等一系列問題。干餾爐為立式方型爐，集成預熱、干餾、氣化及冷卻為一體，逐步完成了3～20 mm，3～10 mm粒度范圍的頁巖的均勻布料，均勻布氣結構設計，采用百頁窗橫流結構減小爐內料層阻力。干餾熱能來自高溫循環(huán)瓦斯和氣化段發(fā)生瓦斯，小顆粒頁巖從上至下依次進入爐頂料倉段→陣傘緩沖段→升溫干餾段→強化干餾段→多層氣化段→換熱段→排渣段，灰渣經推灰機和板式排渣機排除爐外。干餾烴蒸汽經集氣傘導出爐外，進入回收系統(tǒng)凈化收油。干餾爐示意圖見圖4，干餾爐內壓力分布和溫度分布圖見圖5和圖6，各個分區(qū)的功能見表3。

表3 FHQ爐各個分區(qū)功能作用表

圖4 FHQ干餾爐示意

圖5 全爐壓力分布圖

圖6 全爐溫度分布圖

4.2 FHQ工藝流程

FHQ工藝流程和塊頁巖撫順工藝相近，但由于原料為小顆粒頁巖，其原料破碎篩分系統(tǒng)、加熱爐系統(tǒng)、干餾爐系統(tǒng)、回收系統(tǒng)都需要加以改進，來適應系統(tǒng)粉塵量大、油泥量大、系統(tǒng)阻力大、回收油品中輕質油多等工況要求。首先尾礦原料進廠后需要進行再次篩分，送入主料倉，再進入爐頂料倉最后進入干餾爐中，灰渣從爐底排出進入推灰機冷卻，再運送到系統(tǒng)外。100 ℃左右的干餾烴蒸汽導出爐外，進入集氣槽中與大量水接觸噴淋，將大量的粉塵和油品洗滌下來，然后進入洗滌塔進一步充分噴淋洗滌除塵收油，之后經過旋捕塔在塔內作離心運動收油，最后進入間冷塔，間接冷卻到40 ℃降溫收油，完成收油過程。加熱爐采用一臺連續(xù)式燃燒供熱的恒溫加熱爐，產生熱煙氣再與冷瓦斯換熱，得到熱循環(huán)瓦斯，進入干餾爐橫流段，完成強化干餾。干餾爐主風由空氣和蒸汽摻混完成，送入干餾爐氣化段，完成灰渣換熱過程和半焦氣化反應，工藝流程框圖如圖7。

圖7 FHQ干餾技術工藝流程框圖

5 結論

撫順FHQ工藝以干餾瓦斯為熱載體，具有生產調節(jié)靈活、原料適應性大等的優(yōu)點，也面臨原料篩分效率低，干餾料層阻力大、干餾強度低、配套設備技術難度高等困難。ATP工藝以熱頁巖灰為熱載體，具有臥式旋轉爐的優(yōu)點，并有內外多層套筒結構，使其熱效率大大提高，但由于高度的統(tǒng)一化、高度集成化設計，使物料在預熱段區(qū)、干餾區(qū)、燃燒區(qū)的停留時間無法獨立調整，大大降低了生產彈性，大型化后的各除塵、冷渣等設備保用成本很高。這些都是阻礙小顆粒頁巖干餾技術發(fā)展的關鍵，需要繼續(xù)進行技術攻關。

綜合上述的橫向對比，在當前我國工業(yè)技術發(fā)展的大環(huán)境中，小顆粒油頁巖干餾技術發(fā)展方向如下。

5.1 資源利用分級化

0~12 mm粒度小顆粒油頁巖是撫順塊頁巖工藝中無法利用的副產品，建議進一步分級，以達到更適合的原料利用方式，再次分為3~12 mm和0~3 mm兩個級配范圍。3 mm以下的粉末頁巖采用成型技術，制成30 mm左右塊狀回用，3 mm以上頁巖直接作為原料干餾應用。

5.2 工藝過程簡潔化

工藝過程簡單化主要指干餾單元的設備簡化，要盡量減少物料在設備之間的傳遞，減少設備的復雜程度，在小顆粒頁巖的干燥、干餾、燃燒、冷卻環(huán)節(jié)中，盡量避免發(fā)生黏化、熔融等容易堵塞料流的現象。

5.3 能量利用多級化

現有的小顆粒頁巖干餾工藝中，能量的利用方案基本明確，固體熱載體工藝中首先利用頁巖半焦的燃燒熱進行頁巖干餾，利用煙氣進行干燥，也可以利用熱渣冷卻得到熱風。氣體熱載體工藝中撫順FHQ工藝，利用半焦水煤氣化得到發(fā)生瓦斯和外供循環(huán)瓦斯雙供熱。這樣干餾供熱自給自足基本完成。在滿足干餾自身所需能量后，在回收系統(tǒng)和排煙系統(tǒng)中仍含有大量余熱，可以通過換熱器、熱泵等設備，進行有溫度梯度的逐級利用，進一步獲得蒸汽、熱水、冷氣等能源。

5.4 環(huán)保治理資源化

目前仍在工業(yè)化運行的干餾工藝都存在環(huán)保治理不徹底的現象。干餾污水也是業(yè)界公認的難治理廢水，小顆粒工藝中粉塵產生量更大，頁巖灰渣也屬于工業(yè)固廢。

這就需要在原料破碎篩分、運輸、干餾、煙氣排放、污水外排等各個環(huán)節(jié)進行完善，提升效率，降低成本。在工藝設計中，從源頭上減少污染物的產生，同時把污染物轉化為各種化工產品，增加產品線：如頁巖灰由于已經高溫活化，可直接用來提取鋁、鐵資源，同時得到大量的二氧化硅原料可以用來制取白炭黑等，污水中也可以提取酚類、氨水等物質，在產業(yè)路線中豐富產品種類，延長產品鏈條，擴大經濟效應。

［1］侯祥麟．中國頁巖油工業(yè)[M]．北京：石油工業(yè)出版社，1984．

［2］韓放，許輝. 撫順油頁巖工業(yè)技術及應用[M]．沈陽：遼寧科學技術出版社，2014.

［3］許輝，姚拓. 撫順油頁巖干餾技術回收系統(tǒng)工藝研究[J]．遼寧化工，2017 (02)：197-199．

［4］Emler E. M ethod and apparatus for the destrutive distillation of keogen in situ[P]. United States Patent, patent number: 5058675,1991．

［5］Harold J. Heat sources w ith conductive material for in situ thermalp rocessing of an oil shale formation[P]. United Stat-esPatent, patent number: 6929067, 2005.

Research on ATP and FHQ Retorting Process

1,1,2

（1. Engineering R&D Center of Fushun Mining Group, Fushun Liaoning 113009, China;2. PetroChina Fushun Petrochemical Company, Fushun Liaoning 113003, China）

Shale oil is a kind of alternative resource of oil. The resource reserves of oil shale are very rich, and shale oil is obtained through pyrolysis, which has broad development value and rich upstream and downstream industry chain. ATP (Alberta Taciuk Process) is a small particle oil shale retorting technology from Canada, which was introduced and digested by Fushun mining group. It is the only one set of industrial production equipment in the world. FHQ (Fushun cross flow gas thermal carrier retorting technology) is a small particle oil shale retorting technology independently developed by Fushun mining group. They are the latest examples of solid heat carrier and gas heat carrier retorting technology respectively, which promote the development of oil shale industry from different angles. In this paper, the operation characteristics of the two processes were summarized, and the development direction of small-particle retorting technology suitable for China was discussed.

Small-particle oil shale; Retorting; Gas heat carrier; Solid heat carrier

2020-07-30

許輝（1983-），男，高級工程師，碩士研究生，遼寧省撫順人，2012年畢業(yè)于吉林大學化學工程領域工程專業(yè)，研究方向：油頁巖、油砂等非常規(guī)能源利用、煤矸石等固體廢棄物綜合利用。

TE662.5

A

1004-0935（2020）11-1375-05